Mikrokiip

Allikas: Vikipeedia
Atmel Diopsis 740 süsteemikiip.

Elektroonikas on integraallülitus (tuntud ka kui IC, kiip või mikrokiip) pisike vooluahel, (koosneb põhiliselt pooljuhtseadistest ja ka passiivelementidest) mida toodetakse õhukesest pooljuhtmaterjalist pooljuhtplaadile. Integraallülitusi kasutatakse peaaegu kõigis elektroonikaseadmetes ja see on toonud põhjaliku pöörde elektroonikamaailmas. Arvutid, mobiiltelefonid ja muud digitaalsed seadmed on saanud kaasaegse ühiskonna struktuuri lahutamatuks osaks, mille tegi võimalikus integraallülituste tootmise madal hind.

Hübriidintegraallülitus on pisike vooluahel, mis on ehitatud üksikutest pooljuhtseadistest ning passiivelementidest ja ühendatud põhimikule või trükkplaadile. Monoliit-integraallülitust tehakse seadmetest, mis on valmistatud mikroelementidest, mis on difusiooni teel tehtud üheks pooljuhi põhimikuks – kiip.

Sissejuhatus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Integraallülituse sünteetiline detail läbi nelja vasest ühenduste kihi. Roosa - polükristallräni (polysilicon), hall - süvistused (wells), roheline - põhimik ehk alusmaterjal (substrate).

Integraallülitused said võimalikuks eksperimentaalsete avastuste teel, mis näitasid, et pooljuhtseadised suudaksid täita elektronlampide ülesandeid ning 20. sajandil toimusid tehnoloogias edusammud pooljuhtseadiste valmistamises. Suure hulga pisikeste transistorite integreerimine väiksesse kiipi oli tohutuks edasiminekuks võrreldes ahelate käsitsi kokkupanekuga elektrooniliste komponentide abil. Integraallülituste masstootmise suutlikkus, usaldusväärsus ja lähenemine lülituste disaini tagasid standardiseeritud mikrokiipide kiire vastuvõtmise disainide asemel, mis kasutasid diskreetseid transistoreid.

Kaks põhilist IC eelist diskreetsete ahelate üle on hind ja tulemuslikkus. Hind on madal, sest kiibid, koos kõigi nende komponentidega, on fotolitograafia abil kui üksus, mitte ei konstrueerita vaid üht transistorit korraga. Tagatipuks, võrreldes diskreetse ahelaga, kasutatakse kestaga mikrokiibi ehitamiseks palju vähem materjali. Tulemuslikkus on kõrge, sest komponendid vahetavad andmeid kiiresti ja tarbivad vähe energiat,(võrreldes diskreetsete analoogidega) kuna osad on väiksed ja paigutatud lähestikku. Alates 2006. aastast kiibi alad ulatuvad mõnest ruutmillimeetrist kuni umbes 350 mm2-ni.

Leiutamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Varaseimad integraallülituste arengud ulatuvad 1949. aastasse, kui saksa insener Werner Jacobi (Siemens AG) esitas patendinõude integraallülitusega sarnasele pooljuhist võimendusseadmele[1], mis näitab viite 2-astmelise võimendusskeemina seatud transistorit ühisel põhimikul. Jacobi avalikustab väiksed ja odavad kuuldeaparaadid kui ühena oma patendi tüüpilistest tööstuslikest rakendustest. Pole andmeid, et tema patenti oleks kasutatud kaubanduslikel eesmärkidel.

Integraallülituse idee eostas elektroonikainsener Geoffrey W.A. Dummer (1909–2002), kes töötas Briti Kaitseministeeriumis. Ta avalikustas selle 7. mail 1952. aastal Kvaliteetsete Elektroonikakomponentide Progressi Konverentsil Washingtonis.[2] Dummer propageeris oma ideesid rohketel avalikel konverentsidel. 1956. aastal püüdis ta ka edutult ehitada sellist lülitust.

ICle eelnev mõte oli luua väikesed keraamlised ruudud (vahvlid), millest igaüks sisaldab ühtainust miniatuurset komponenti. Osad võiksid olla integreeritud ja traaditud kahe- või kolmemõõtmelisse kompaktsesse võresse. See mõte, mis tundus 1957. aastal väga paljulubav, esitati Jack Kilby poolt USA armeele ja see viis lühiajalise Mikromooduli Programmini. Kuid kuni projekt kogus hoogu, tuli Kilby välja uue, revolutsioonilise disainiga: mikrokiip.

Robert Noyce tunnustas Kurt Lehoveci pn-siirde isolatsiooni põhimõtte väljatöötamise eest, mis on keskse tähtsusega põhimõte mikrokiibi juures.[3]

Jack Kilby registreeris oma esialgsed ideed seoses integraallülitustega 1958. aasta juulis ja demonstreeris edukalt esimest integraallülitust 12. septembril 1958.[4] Oma patenditaotluses, mille ta esitas 6. veebruaril 1959, kirjeldas Kilby oma uut seadet kui "pooljuhtmaterjalist keha ...kus kõik vooluahela komponendid on täielikult integreeritud."[5] 2000. aastal võitis Kilby Nobeli füüsikaauhinna integraallülituse leiutamisel osalemis eest.[6]

Robert Noyce tuli välja oma ideega integraallülitusest pool aastat hiljem kui Kilby. Noyce'i kiip lahendas palju praktilisi probleeme, millega Kilby kiip hakkama ei saanud. Noyce'i kiip, mis valmistati Fairchild Semiconductoris, oli valmistatud ränist, kuid Kilby kiip germaaniumist.

Generatsioonid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Integraallülituste algusaegadel oli võimalik vaid vähesel kogusel transistoreid kiibile paigutada, kuna mõõtmed, mida kasutati, olid tolleaegse tehnoloogia tõttu suured. Kuna integratsiooniaste oli väike, oli ka disainimine lihtsam. Hiljem oli võimalik miljoneid, tänapäeval miljardeid[7], transistoreid kiibile paigutada ning hea disaini tegemine muutus ülesandeks, mida tuli kavandada väga põhjalikult. See põhjustas uute projekteerimismeetodite tekkimise.

SSI, MSI ja LSI[muuda | redigeeri lähteteksti]

Esimesed integraallülitused sisaldasid vaid paari transistorit. Digitaalskeemid, nimega "väiksemahulised integraallülitused", (SSI ehk Small Scale Integratsioon) sisaldavad vaid kümneid transistoreid ja võimaldavad mõnda loogikaventiili. Näiteks varajased lineaarsed mikrokiibid nagu Plessey SL201 või Philips TAA20 sisaldasid nii vähe kui kaks transistorit. Terminit "lausintegratsioon" (LSI ehk Large Scale Integration) kasutati esimesena IBMi teadlase Rolf Landaueri poolt, kui kirjeldati teoreetilist kontseptsiooni. Sealt tulid ka terminid SSI, MSI, VLSI ja ULSI.

SSI lülitused olid varajaste kosmoseprojektide jaoks otsustava tähtsusega, ja vastupidi. Minuteman rakett ja Apollo programm vajasid kergekaalulisi digitaalarvuteid oma sisemistes juhtimissüsteemides. Apollo juhtimisarvuti vedas eest ja motiveeris integraallülituste tehnoloogiat, samas kui Minutemani rakett sundis selle masstoodangusse. Minutemani raketi programm ja mitmed teised mereväeprogrammid moodustasid kogu integraallülituste turu aastal 1962 ning aastaks 1968 USA valitsuse kosmose- ja kaitsekulutused moodustasid 37% 312 miljoni dollari suurusest kogutoodangust. USA valitsuse nõudlus toetas vastset integraallülituste turgu, kuni hinnad langesid nii palju, et oli võimalik tungida tööstus- ja tarbijaturule. Integraallülituse kesmine hind langes 50lt dollarilt 1962. aastal 2.33 dollarini 1968. aastal.[8] Integraallülitused hakkasid ilmuma tarbekaupadesse aastakümne vahetusel.

Järgmine samm integraallülituste arendamises, mis tehti hilistel 60ndatel, tutvustas seadmeid, mis sisaldasid sadu transistoreid igal kiibil. Neid kiipe kutsuti "keskmise suurusega integraallülitusteks" (MSI ehk Medium Scale Integration).

Need olid rahaliselt atraktiivsed, sest kuigi tootmine maksis veidi rohkem, kui SSI seadmetel, lubasid MSId toota keerulisemaid süsteeme, kasutades väiksemaid põhimikaluseid ja vähem monteerimist (sest on vähem eraldi komponente) ning oli ka mitmeid teisi eeliseid.

Edasine areng, mida ajendasid samad majanduslikud tegurid, viis "lausintegratsioonini" (LSI ehk Large Scale Integration) 70ndate keskpaigas, millega kaasnesid tuhanded transistorid kiibi kohta.

Integraallülitused nagu 1Kbitised RAMid, kalkulaatorite kiibid ja esimesed mikroprotsessorid, mida hakati tootma mõõdukates kogustes 70ndate algusel, sisaldasid alla 4000 transistori.

VLSI[muuda | redigeeri lähteteksti]

Intel 80486 DX2 mikroprocessori kiibi ülemised siduvad kihid.

Viimane samm arenguprotsessis, mis algas 80ndatel ja kestab tänapäevalgi, oli "kõrgtihe lausintegratsioon" (VLSI ehk Very Large Scale Integration). Areng algas sadade tuhandete transistoritega 80ndate alguses ja läheb edasi miljardite transistoritega tänapäeval.

Mitmed arengud olid tarvilikud, et saavutada sellist suurenenud tihedust. Tootjad liikusid väiksematele määradele ja kolisid puhtamatesse tootmishoonetesse, et nad saaks valmistada kiipe, millel suurem arv transistoreid ja et säilitada piisavat tootlust. Protsessi paranemisteekonna võttis kokku International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS). Kujundustööriistad paranesid piisaval, et oleks oleks võimalik lõpetada disainid mõistlikuks ajaks. Energiatõhusam CMOS asendas NMOSi ja PMOSi vältimaks võimsuse tarbimise suurenemist. Paremad tekstid nagu piirpostist õpik Meadi ja Conway poolt aitas koolidel muude tegurite hulgas õpetada rohkem disainereid.

1986. aastal võeti kasutusele esimesed ühemegabitised RAM kiibid, mis sisaldasid rohkem kui miljonit transistorit. Mikroprotsessorite kiibid ületasid miljoni transistori arvu 1989. aastal ja miljardi 2005. aastal.[9] Suundumus jätkub suuresti vaibumatult, kus kiibid, mis võetud kasutusele 2007. aastal, sisaldavad kümneid miljardeid mälutransistoreid.[10]

ULSI, WSI, SOC and 3D-IC[muuda | redigeeri lähteteksti]

Võttes arvesse keerukuse edasist kasvu, pakuti kiipide jaoks, mille keerukus on üle ühe miljoni transistori, välja termin ULSI (Ultra Large Scale Integration).

WSI (Wafer Scale Integration) on süsteem, kus ehitatakse "kõrgtihedaid integratsioone", milles kasutatakse tervet silikoonvahvlit, et toota üksainus "superkiip". Suure suuruse ja vähendatud kesta suuruse kombinatsiooni läbi suudab WSI teatud süsteemide kulud viia tunduvalt madalamale, eriti superarvutite puhul.

Süsteemikiip (SoC või SOC ehk system-on-a-chip) on integraallülitus, kus arvuti või muu süsteemi jaoks vajalikud komponendid kuuluvad vaid ühele kiibile. Sellise seadme disain või olla keeruline ja kulukas ning põhjalikult erinevate komponenide ehitamine ühele silikoonitükile võib ohustada mõnede elementide tõhusust. Kuid neid puudusi on võimalik kompenseerida vähendatud tootmise ja montaažikuludega ning oluliselt vähendatud energiatarbe eelarvega, mis on tingitud sellest, et signaalid komponentide seas hoitakse kiibil ja nii vajatakse palju vähem energiat.

Kolmemõõtmelisel integraallülitusel (3D-IC ehk Three-Dimensional Integrated Circuit) on kaks või rohkem aktiivsete elektroonikakomponentide kihti, mis on integreeritud nii vertikaalselt kui horisontaalselt ühteainsasse vooluahelasse. Kihtidevaheline suhtlemine kasutab kiibisisest signaliseerimist, nii et voolutarve on palju väiksem kui samaväärsetes eraldi vooluahelates. Mõistlik lühikeste vertikaalsete juhete kasutamine võib oluliselt kiirendada tööd.

Integraallülituste areng[muuda | redigeeri lähteteksti]

8-bitise mikrokontrolleri Intel MCS-48 (8742) kiip, mis sisaldab samal kiibil 12 MHz protsessorit, 128 baiti muutmälu (RAM), 2048 baiti EPROMi ja I/Oseadmeid.

Kõige arenenumate integraallülituste hulka kuuluvad üldotstarbelised mikroprotsessorid või protsessorite "tuumad" (cores), mis juhivad ja kontrollivad enamikke tänapäeval kasutatavaid seadmeid alates arvutitest ja mobiiltelefonidest kuni kodutehnikani (digitaalsed külmikud, mikrolaineahjud jms.).

Digitaalsed mälukiibid ja ASICud on näited teistest integraallülituste liigist, mis on oluliseks osaks tänapäeva infoühiskonnas. Kuigi keerulise integraallülituse kavandamise ja arendamise maksumus on suhteliselt kõrge, on ära jagatuna tavaliselt miljonite tootmisüksuste vahel üksiku IC hind minimaalne.

Mikrokiipide (integraallülituste) jõudlus on suur, kuna väikesed mõõtmed võimaldavad madala elektrilise võimsusega loogikaväravate kasutamist (näiteks kiired CMOS lülitused).

Integraallülitused on aastate jooksul järjepidevalt liikunud väiksematele detailidele, mis võimaldab pakkida rohkem lülitusi igale kiibile. Sellist suurenenud mahutavust ühiku kohta saab kasutada, et vähendada kulusid ja/või suurendada funktsionaalsust – vaata Moore'i seadust, mis kaasaegses tõlgenduses ütleb, et transistorite arv integraallülituse kohta kahekordistub iga kahe aasta tagant.

Üldiselt, samas kui detaili suurus kahaneb, peaaegu kõik paraneb – kiirus ja maksumus ühiku kohta suureneb ja energiatarve ümberlülitumistel väheneb. Kuid nanomeetrilise skaalaga seadmetega mikrokiipidel on ka omad probleemid. Peamine nende hulgas on lekkevool. Kuigi need probleemid pole ületamatud ja tõenäoliselt need lahendatakse või vähemalt leevendatakse võttes kasutusele kõrge dielektrilise konstandiga materjalid. Kuna võit kiiruse ja võimsuse tarbimise pealt on nähtav ka lõpptarbijale, eksisteerib ka äge konkurents tootjate vahel, et kasutada paremat geomeetriat. See protsess ja oodatud progress lähema paari aasta jooksul on hästi kirjeldatud International Technology Roadmap for Semiconductorsis (ITRS).

Rakenduste areng[muuda | redigeeri lähteteksti]

Praegustes teadusprojektides töötatakse välja ka integraallülitusi meditsiiniliste implantaatide ja teiste bioelektroonilistele seadmetele. Sellistes biogeensetes keskkondades tuleb tõtta kasutusele erilisi isoleerimisstrateegiaid, et vältida kaitsmata pooljuhtide materjalide korrosiooni või biolagunemist. CMOS tehnoloogias on välja kujunenud üks väheseid materjale, mis on erakordselt stabiilne ja sobilik meditsiinilistesse implantaatidesse – titaannitriit (TiN).[11][12]

Klassifikatsioon[muuda | redigeeri lähteteksti]

CMOS 4000 mikrokiip DIPs

Integraallülitused võib liigitada analoog-, digitaal- ja mixed-signal (nii analoog kui ka digitaal samal kiibil) lülitusteks.

Digitaallülitused võivad sisaldada alates ühest kuni miljonite loogikaväravateni, elektroonikalülitusteni, multipleksideni ja teiste vooluahelateni mõne ruutmillimeetri suurusel pinnal. Nende lülituste väike suurus lubab suurt kiirust, madalat võimsuskadu ja vähendatud tootmiskulusid. Sellised digitaalsed ICd nagu näiteks mikroprotsessorid, signaaliprotsessorid (DSP ehk Digital Signal Processor) ja mikrokontrollerid töötavad kasutades kahendmatemaatikat, et töödelda "üks" ja "null" signaale.

Analooglülitused, nagu näiteks sensorid, toitehaldused ja operatsioonivõimendid, toimivad töödeldes pidevaid signaale. Nad sooritavad talitlusi nagu näiteks võimendamine, aktiivfiltreerimine, demoduleerimine, sagedusmuundamine jne. Analooglülitused kergendavad lülitusdisainerite koormat, kuna on saadaval ekspertide poolt disainitud analooglülitused, selle asemel, et disainida keeruline analooglülitus nullist.

Mikrokiibid võivad ühendada ka analoog- ja digitaallülitusi ühele kiibile, et luua funktsioone nagu analoogdigitaalmuundamine (AD-muundamine) ja digitaalanaloogmuundamine (DA-muundamine). Sellistel lülitustel on pakkuda väiksem suurus ja madalam hind, kuid peab hoolikalt arvesse võtma signaalihäireid.

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. patent|DE|833366
  2. "The Hapless Tale of Geoffrey Dummer"
  3. Kurt Lehovec's patent on the isolation p-n junction: US patent|3029366
  4. The Chip that Jack Built
  5. Media technology and society: a history: from the telegraph to the Internet
  6. The Nobel Prize in Physics 2000
  7. Peter Clarke, Intel enters billion-transistor processor era
  8. Ginzberg, E., Kuhn, J.W., Schnee, J., & Yavitz, B. (1975). Economic Impact of Large Public Programs: The NASA Experience. (pp. 57–60). Salt Lake City, U.S.: Olympus Publishing Company. ISBN 0-913420-68-9
  9. Peter Clarke, EE Times: Intel enters billion-transistor processor era, 14 November 2005
  10. Antone Gonsalves, EE Times, Samsung begins production of 16-Gb flash, 30 April 2007
  11. H. Hämmerle, K. Kobuch, K. Kohler, W. Nisch, H. Sachs, M. Stelzle (2002). "Biostability of micro-photodiode arrays for subretinal implantation". Biomat. 23: 797–804. doi:10.1016/S0142-9612(01)00185-5. 
  12. M. Birkholz, K.-E. Ehwald, D. Wolansky, I. Costina, C. Baristiran-Kaynak, M. Fröhlich, H. Beyer, A. Kapp, F. Lisdat (2010). "Corrosion-resistant metal layers from a CMOS process for bioelectronic applications". Surf. Coat. Technol. 204: 2055–2059. doi:10.1016/j.surfcoat.2009.09.075. 

Kirjandus[muuda | redigeeri lähteteksti]